1.18. Caja de cambios automática

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Ya se ha comentado que si se considera automática la caja de cambios que va insertando las relaciones sin intervención del conductor hay tres posibilidades; automática con convertidor de par, pilotada/robotizada y transmisión de variación continua, CVT.

La primera que se diseñó para funcionar como automática es la que sustituye el embrague por un convertidor de par, y la inserción de las marchas se hace mediante acoplamientos compuestos por discos en baño de aceite, que es de la que se trata en este módulo.

Concepto de caja de cambios automática con convertidor

Solo dos pedales; acelerador y freno

El automóvil representado tiene motor longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera):

  • Hay dos pedales; acelerador y freno, no hay embrague ni pedal de embrague
  • Se amplía la imagen que contiene el convertidor de par y la caja de cambios automática sin detallar su funcionamiento interno
  • El convertidor transmite el par desde el motor a la caja de cambios en sustitución del embrague
  • El convertidor multiplica el par que recibe del motor, unas 2,5 veces, llegando a la caja automática
  • Este efecto de multiplicación de produce hasta más o menos medio régimen de funcionamiento y es del que emana la denominación de convertidor de par
  • La transmisión de par se realiza en el convertidor sin contacto mecánico entre sus componentes internos, es por presión de aceite

La conexión hidráulica por aceite entre el motor y caja automática desarrollada por el convertidor implica ciertas particularidades; la suavidad de funcionamiento y cierta merma de respuesta con más consumo de combustible son algunas.

La evolución técnica ha reducido sus inconvenientes y potenciado sus ventajas, obteniendo muy buenos resultados.

Su coste, mayor que otras opciones de caja de cambios con funcionamiento automático, limitan en cierta medida sus aplicaciones.

Transmisión hidráulica del par; efecto arrastre

Este automóvil tiene implantación técnica como el anterior, motor delantero longitudinal y propulsión (tracción trasera):

  • Se identifican los pedales de acelerador, actuando sobre el motor, y el de frenos con un esquema representando el sistema de frenos hasta las ruedas
  • La palanca de cambios de la caja automática
  • Se pone el motor en marcha y se selecciona con la palanca de cambios una posición de movimiento
  • el convertidor de par transmite hidráulicamente el movimiento a la caja de cambios, que lo pasa multiplicado por la relación insertada, la primera al partir de parado, al diferencial y ruedas motrices; el automóvil comienza a desplazarse
  • se evita pisando el pedal de freno que mantiene las ruedas motrices paradas
  • En el detalle ampliado se resalta la trasmisión hidráulica del par en el convertidor, que hacer girar a la caja de cambios con relación de movimiento insertada, es el efecto “arrastre” que tiende a mover el automóvil y se contrarresta con el freno

Este efecto “arrastre” es una de las causas del aumento de consumo en la caja automática con convertidor de par comparada con la manual o pilotada.

La evolución técnica, mecánica, hidráulica y electrónica ha solucionado prácticamente este inconveniente y otros más.

Posiciones de la palanca

Se ve como referencia de posición de la caja automática un automóvil con motor delantero longitudinal y propulsión (tracción trasera):

  • Convertidor de par, que recibe el movimiento y par desde el motor
  • Eje o árbol del convertidor a la caja automática
  • Sobre este árbol se colocan los piñones de las diferentes relaciones, que no giran con el árbol, se acoplan a este mediante discos en baño de aceite, son los embragues accionados por presión de aceite
  • Piñón intermediario de marcha atrás
  • Árbol que va al diferencial y ruedas motrices, sobre el que están integrados los piñones complementarios de las relaciones
  • Se incluye a la izquierda un piñón adicional que tiene una función determinada que se explica más adelante
  • Cárter de la caja de cambios automática
  • Dos pedales; acelerador y freno
  • Volante de dirección
  • Control electrohidráulico de inserción de las relaciones de la caja de cambios automática
  • Desde este control parten los conductos de presión de aceite a cada uno de los embragues de discos en baño de aceite para la inserción de las relaciones
  • La caja automática representada tiene cinco relaciones y marcha atrás
  • Se representa el sistema de bloqueo del piñón situado a la izquierda del árbol que va al diferencial y ruedas motrices, es el piñón o rueda de aparcamiento, así se mantiene el automóvil parado
  • Palanca de cambios de la caja automática y sus posiciones:
    • P; aparcamiento; se mantienen paradas las ruedas motrices bloqueando el piñón de aparcamiento
    • R; marcha atrás
    • N; punto muerto
    • D (“drive”); funcionamiento automático
    • 4, 3, 2 y 1; limitación de las relaciones que se van insertando automáticamente
  • Viñetas identificando los árboles de motor – convertidor, diferencial – ruedas motrices y control electrohidráulico
  • La palanca de cambios, que está en P, se desplaza insertando la marcha atrás (R), se observa cómo se libera el sistema de bloqueo para que puedan girar las ruedas motrices, y el control electrohidráulico envía presión de aceite a los discos que acoplan el piñón de esta relación de marcha atrás
  • A continuación se pasa la palanca a la posición automática (D «drive»), lo que implica que se produzca el efecto «arrastre», al acelerar se van insertando automáticamente las relaciones; el control electrohidráulico va enviando y retirando presión de aceite a los embragues de cada relación que van interviniendo progresivamente. Si se decelera el sistema de control va reduciendo de relaciones
  • Las posiciones 4, 3, 2 y 1 determinan hasta que relación es automática la caja de cambios
  • En posición 1 se circula permanentemente en 1ª
  • La palanca retorna a la posición P de aparcamiento bloqueándose el piñón que mantiene paradas las ruedas motrices
  • En la palanca de cambios hay un botón de seguridad, se ha de pulsar para salir o entrar de la posición P, entrar a R y otros movimientos que puedan entrañar riesgos mecánicos para no hacerlos por error

El hecho de que el conductor pueda limitar el número de relaciones automáticas que intervienen, es principalmente para disponer de retención motor en descensos prolongados, pues al acelerar poco o nada el conductor la caja automática tiende a insertar relaciones largas, lo que obliga a un uso intensivo de los frenos.

Si se acelera las relaciones van subiendo y al decelerar bajando, la rapidez de esta respuesta según se accione el acelerador pueden ser más o menos variables o adaptativas, este aspecto es muy importante para asimilar la respuesta de la caja automática a la manual, se explica en el módulo 2.18.1.

La caja automática representada tiene los engranajes como la manual de los módulos 1.17.1 y 1.17.2, se ha hecho así para que el aprendizaje sea progresivo, en realidad los engranajes son epicicloidales, unos en el interior de otros.

Posiciones de la palanca y número de relaciones

Vamos a utilizar dos cajas de cambios automáticas y cuatro palancas para explicar este tema:

  • Caja de cambios automática longitudinal, resaltando el convertidor de par
  • Caja de cambios automática transversal identificando el convertidor de par y también el diferencial que está integrado en la caja de cambios
  • A continuación, se representan cuatro palancas de cambios con diferente número de relaciones y desplazamientos de las palancas:
    • Caja de cambios de 3 relaciones y marcha atrás; los desplazamientos de la palanca son lineales, está en 1ª relación impuesta
    • Caja de cambios automática de 4 relaciones y marcha atrás; la palanca se desplaza en forma de escalera para identificar mejor su posición, está en D (funcionamiento automático en todas las relaciones, 4)
    • Caja de cambios de 5 relaciones; los desplazamientos son lineales y está la palanca en R, marcha atrás
    • Caja de cambios automática de 6 relaciones; los desplazamientos de la palanca conforman la letra “J”, la idea es facilitar al conductor la identificación de la posición de la palanca. Está en punto muerto N

Tras ver estos ejemplos, se deduce que el número de relaciones de la caja automática con convertidor de par es uno más que el número más alto en el indicador de posiciones, es así con matices, pues si la caja incorpora “over drive” no se cumple esta norma, como veremos a continuación.

Para poder arrancar el motor la palanca de cambios ha de estar en P o N y, según la evolución técnica de la caja automática, para sacar la palanca de P se ha de poner el contacto, pisar el freno y pulsar el botón de seguridad.

Con caja automática y convertidor de par no es posible arrancar el motor empujando el automóvil, pues hace falta presión de aceite para insertar las relaciones y esta la genera el motor en marcha.

El «over drive» en caja automática

Este sistema se ha utilizado también en la caja de cambios manual, pero su funcionamiento es completamente distinto.

Para explicar el «over drive» en caja automática se va a utilizar una caja de cambios de 4 relaciones y marcha atrás.

  • Caja automática de 4 relaciones sin «over drive»:
    • La palanca está en automático D
    • Al pasar a la posición 3 se elimina la actuación de la 4ª, el funcionamiento es automático hasta 3ª
  • Caja automática de 4 relaciones con «over drive»:
    • Técnicamente es como la anterior
    • Las posiciones de la palanca son diferentes; 1, 2, D, N, R y P, según lo hasta ahora explicado tendría 3 relaciones
    • En la palanca de cambios hay un botón con el texto «O/D», es el mando del «over drive»
    • La palanca de cambios está en automático D («drive») y suponemos que el automóvil circulando en carretera lleva la 4ª relación insertada
    • Al accionar el botón O/D se anula la última relación, 4ª pasando a 3ª y se comporta como la caja automática anterior en posición 3. No entrará la 4ª hasta que se autorice liberando el botón O/D
    • El «over drive» en caja automática permite eliminar la última relación sin mover la palanca, por esta razón no aparece el número de la penúltima marcha, 3 en esta caja de 4 relaciones

Las cajas automáticas con convertidor empezaron con 3 relaciones cuando su aceptación quedó demostrada, pasaron después a 4 y actualmente se ha llegado a 10 relaciones en este tipo de caja automática.

Con el aumento del número de relaciones de la caja automática con convertidor de par y el accionamiento secuencial desaparece el «over drive»

La transmisión automática de variación continua CVT, que se presentó en el módulo 1.17.1, tiene en teoría infinitas relaciones.

Resumen de este módulo

Vamos a repasar el contenido de este módulo con tres animaciones.

En la primera se representa un automóvil con motor delantero trasversal y tracción (delantera):

Solo dos pedales

  • Pedal del acelerador y del freno, no hay embrague ni pedal

Transmisión hidráulica del par

  • Si está el motor en marcha…
  • … y se selecciona alguna posición de movimiento en la palanca de cambios, por ejemplo, automático D (“drive”)…
  • … el automóvil tiende a desplazarse por el efecto “arrastre” inducido en el convertidor de par, que transmite el par y movimiento por presión de aceite sin contacto mecánico
  • Se ha de pisar el pedal de freno si se quiere mantener el automóvil parado

Posiciones de la palanca de cambios

  • Esta caja de cambios automática con convertidor de par tiene 5 relaciones y marcha atrás, estas son sus posiciones:
    • P aparcamiento; se bloquean las ruedas motrices. Si se intenta desplazar el automóvil empujando se producirá una grave avería en la caja de cambios
    • R marcha atrás; se invierte el sentido de la marcha, se ha de pulsar el botón de seguridad para su inserción
    • N punto muerto; no hay conexión entre la caja automática y las ruedas motrices
    • D (“drive”) automático; funcionamiento automático en todas las relaciones hacia adelante, 5 en este caso
    • 4: automático hasta 4ª. 3; automático hasta 3ª. 2; automático hasta 2ª. 1; primera relación impuesta sin que actúe otra. Según el tipo de caja automática en esta posición se dispone de retención motor en bajada de rampas, lo que no sucede en D aunque se circule en 1ª automática

La función de estas posiciones son las mismas para otras cajas de cambio con más o menos número de relaciones.

En la siguiente animación se ve un automóvil con motor delantero longitudinal y 4×4.

Caja de cambios automática con “over drive”

  • Esta caja de cambios tiene 4 relaciones y marcha atrás
  • Al accionar el botón del “over drive” O/D se anula la última relación, el automóvil funciona con 3 relaciones automáticas
  • El O/D elimina la última relación automática

Selección secuencial de las posiciones

  • La evolución del manejo de la caja automática se aporta con el sistema de accionamiento secuencial, que se representa sobre la misma caja de cambios de la explicación anterior
  • Las posiciones P, R, N y D son conocidas, pero aparecen dos nuevas a ambos lados de la D; “–” y “+”
  • Se puede pulsar la palanca a las posiciones – y +, retornando a la posición central D, respectivamente supone pasar a una posición inferior o superior
  • Por ejemplo; circulando en 4ª si se pulsa – se pasa a 3, automático hasta 3ª, si se pulsa de nuevo – se pasa a 2, automático hasta 2ª, si ahora se pulsa + se pasa de nuevo a 3 y así sucesivamente
  • Este sistema secuencial agiliza el manejo por parte del conductor cuando ha de intervenir en la actuación de la caja automática.

Seguidamente se presentan otros sistemas de accionamiento secuencial que permiten más control por el conductor, como anticipo a siguientes módulos.

Particularidades del accionamiento secuencial

Se va a ver en tres automóviles con diferentes implantaciones y actuación de las posiciones secuenciales + y –.

  • Coche 1; motor delantero longitudinal y propulsión (tracción trasera):
    • Se observa que las posiciones impulsionales – y + parten de la posición D
    • Las posiciones impulsionales – y + indican hasta que relación es automática la caja de cambios; en la imagen se circula en D con la 4ª insertada, si se pulsa – se pasa a la posición 3, automática hasta 3ª y se indica en el cuadro de instrumentos para que sepa el conductor en que posición está la caja automática
  • Coche 2; motor delantero longitudinal y 4×4:
    • Se aprecia que las posiciones + y – están en un carril paralelo a la D
    • Las posiciones impulsionales + y – seleccionan la relación que se inserta; en la imagen el automóvil va en 4ª y se pulsa +, se pasa a 5ª relación y se mantendrá mientras sea técnicamente posible
  • Coche 3; motor delantero longitudinal y propulsión (tracción trasera):
    • Se aprecia que las posiciones – y + están en un carril paralelo a la D y están invertidas con relación al ejemplo anterior, no hay posiciones estandarizadas al respecto
    • El funcionamiento es similar al anterior; en la imagen el automóvil circula en 6ª y se mantendrá mientras sea técnicamente posible
    • Si se pulsa – pasará a 5ª y la mantendrá hasta que el motor no lo admita
  • En estas dos últimas cajas de cambio automático de los coches 2 y 3 con selección secuencial de las relaciones, se mantiene la relación hasta que las RPM, altas o bajas; del motor lo permitan, al legar a sus límites respectivamente se subirá o bajará una relación
  • La caja automática del coche 1 tiene selección secuencial de las posiciones de la palanca, no de las relaciones insertadas

Hay diferentes protocolos de funcionamiento de las cajas automáticas con selección secuencial de las relaciones, lo más habitual es que cambien de relación al subir o bajar de determinados márgenes de RPM.

En automóviles muy prestacionales se puede disponer de un programa para que no pase automáticamente a la marcha superior al legar al límite de RPM, y el piloto mantenga el control manual de la caja de cambios secuencial.

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